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Orario delle lezioni: Martedì 14.30 - 16.15Aula 1D Mercoledì 14.30 - 15.15Aula 2L Venerdì 9.30 - 11.15 Aula 1C Prevista una parte pratica in Aula Informatica.

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1 Orario delle lezioni: Martedì Aula 1D Mercoledì Aula 2L Venerdì Aula 1C Prevista una parte pratica in Aula Informatica e una escursione sul campo PALEOCLIMATOLOGIA E PALEOCEANOGRAFIA

2 Programma del Corso: - Il sistema climatico e le sue componenti - Gli Archivi e i Proxy del clima nel passato geologico - Storia del clima nel passato geologico PALEOCLIMATOLOGIA E PALEOCEANOGRAFIA

3 Materiale didattico: - Appunti e ppt alla conclusione di ogni blocco di lezioni Testi di consultazione: - R. Bradley - Paleoclimatology. Reconstructing climates of the Quaternary, Academic Press - C. Cockell (ed.) - An introduction to the Earth-Life system, Cambridge Press - W. Ruddiman - Earths climates: past and future, W.H. Freeman Prova di esame: Verifica orale PALEOCLIMATOLOGIA E PALEOCEANOGRAFIA

4 INTRODUZIONE

5

6 Tempo meteorologico (weather): insieme di eventi e caratteri transitori che si sviluppano a scala locale, ma ripetibili infinite volte in infiniti momenti e luoghi Clima (climate): proiezione, mediata a lungo termine, delle condizioni meteorologiche prevedibili entro una certa area geografica in un determinato periodo dellanno Climate is what you expect, weather is what you get

7 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2006 Climate in a narrow sense is usually defined as the "average weather," or more rigorously, as the statistical description in terms of the mean and variability of relevant quantities over a period ranging from months to thousands or millions of years. The classical period is 30 years, as defined by the World Meteorological Organization (WMO). These quantities are most often surface variables such as temperature, precipitation, and wind. Climate in a wider sense is the state, including a statistical description, of the climate system.

8 DIVERSI METODI DI DEFINIZIONE In generale, il clima viene espresso in termini di T e P. DATO QUALITATIVO: caldo, freddo, asciutto, umido… DATO QUANTITATIVO: in base ai valori strumentali clima tropicale, subtropicale, temperato…

9 Climogramma P-T

10 Carta dei climi tipo Köppen-Geiger: diversi climi caratterizzano aree contigue

11 Aree su cui insiste un certo clima sono dette CELLE CLIMATICHE. Il sistema di celle è governato dal SISTEMA CLIMATICO, frutto di complesse interazioni fra 5 componenti principali: ATMOSFERA IDROSFERA CRIOSFERA TERRA SOLIDA BIOTA

12 IL SISTEMA CLIMATICO

13 Il Sistema climatico è aperto, permette cioè che fra le diverse componenti (e celle) esistano: flussi di energia (calore) e flussi di materia (fluidi: aria e acqua; sospensione solida) OBIETTIVO: equilibrio a scala globale

14 DINAMICHE DEL SISTEMA CLIMATICO Il sistema climatico è controllato da processi tipo input-output: IN: FORZANTI (forcing) – agenti esterni al sistema climatico, che inducono interazioni fra le componenti del SC; OUT: RISPOSTE (response) – risultato dei processi interattivi fra le componenti del SC.

15 DINAMICHE DEL SISTEMA CLIMATICO Le forzanti agiscono sia in modo diretto che (e soprattutto) attraverso meccanismi di feedback Le risposte si configurano come cambiamenti in uno o più parametri e/o componenti e/o nel rapporto fra più componenti La coesistenza di forzanti e risposte mantiene il sistema climatico in permanenti condizioni di equilibrio instabile

16 Dinamiche di riequilibrio climatico sotto la pressione di forzanti A A B B C C

17 FEEDBACK Processo in cui i risultati di un evento recorsivo influenzano levento stesso nel futuro. In climatologia, i meccanismi di feedback influenzano la velocità e lampiezza dei cambiamenti rispetto alle condizioni iniziali. Se il fenomeno coinvolto viene accelerato/amplificato, si parla di feedback positivo (o di retroazione positiva); Se il fenomeno viene rallentato/ridotto, si parla di feedback negativo (o di retroazione negativa).

18 SINERGIE Oltre ai feedback, in cui l'effetto interagisce con la causa, esistono SINERGIE: leffetto combinato di due o più fattori determina un effetto maggiore della somma degli effetti determinato da ogni singolo fattore. Es: la caccia in branco

19 DEVIAZIONI DALLO STATO DI EQUILIBRIO La pressione delle forzanti sul SC può agire con tempi e intensità diversi: se la pressione delle forzanti diventa eccessiva, si può rompere lequilibrio (steady- state) fra le componenti del SC. Parimenti, la scomparsa di una delle componenti del SC induce disequilibrio. Ricerca dellequilibrio tramite processi di attivazione - intensificazione - cambiamento dei feedback entro il SC IMPORTANTE: Lacquisizione di un nuovo stato di equilibrio NON IMPONE una modificazione nel clima medio (misurato)!

20 MODIFICAZIONI SENSIBILI NEL CLIMA MEDIO Variazioni nella risposta del sistema climatico, NON nella sue dinamiche Variabilità climatica: scostamento naturale, periodico o quasi-periodico, rispetto al clima locale medio (es. ricorrenza di periodi più caldi o piovosi) con possibili ripercussioni a grande scala (es. El Niño) Episodi climatici: perturbazioni del clima locale medio non in fase (per frequenza e/o ampiezza) con la sua naturale variabilità TT

21 CAMBIAMENTI NEL SISTEMA CLIMATICO Periodi di riorganizzazione delle dinamiche interne al SC, non solo delle risposte, per: pressione anomala da parte delle forzanti riorganizzazione forzata dei processi di feedback perturbazioni interne alle singole componenti del sistema (es. comparsa/scomparsa delle calotte glaciali) DETERMINANO: Eventi climatici: modificazioni transienti, che non apportano cioè modificazioni permanenti nel sistema climatico; Transizioni/rivoluzioni climatiche: modificazioni ± graduali con effetti ± persistenti sui ritmi e sullampiezza della variabilità climatica naturale E possibile riconoscere solo a posteriori se una certa modificazione del clima è transiente o induce effetti a lungo termine

22 LE SOGLIE CLIMATICHE La pressione delle forzanti spinge il sistema a rompere il suo stato di equilibrio. In condizioni normali (steady-state), tali pressioni sono compensate (tramite feedback) dal sistema climatico, e non comportano cambiamenti maggiori effetto tampone Il clima non cambia in modo significativo se non si supera una soglia. Soglia climatica: limite virtuale oltre cui si attiva un cambiamento (reversibile) nelle interazioni interne e nelle risposte (output) del sistema climatico Soglia climatica critica: limite virtuale oltre cui il cambiamento nelle interazioni interne e nelle risposte (output) del sistema climatico diventa stabile irreversibile

23 A)Condizioni stepped steady-state: Il sistema climatico riesce a mantenere lo stato originale di equilibrio fra le sue componenti. Fasi di accelerazione nella pressione delle forzanti possono indurre step climatici, che non comportano cambiamenti significativi (effetto tampone) finchè il sistema rimane al di sotto della soglia climatica Steady-state regime Re-assessment via enhanced feedback processes Forcing triggers disequilibrium Climatic threshold Forcing triggers major disequilibrium Unstable (reversible) regime Feedback processes restore pre-event conditions Critical climatic threshold Steady-state regime Forcing triggers critical disequilibrium Feedback processes can not keep pace with critical forcing pressure Climatic threshold Steady-state regime Time B) Condizioni sopra-soglia: Si instaura un regime climatico differente con diverse interazioni e risposte; tuttavia, il sistema è perturbato in modo reversibile e tende a ritornare alle condizioni precedenti (sotto soglia) tramite lattivazione/intensificazione dei feedback fra le sue componenti, purchè la pressione delle forzanti non sia eccessiva (nel qual caso, il sistema passa ad un altro stato o si mantiene in disequilibrio forzato) C) Condizioni sopra-soglia critica: Cambia il ruolo delle diverse componenti del sistema ed il regime climatico risponde ad interazioni e risposte del tutto diverse nuovo stato di equilibrio. Il sistema oscilla attorno a diversi valori medi ed il ritorno alle condizioni (A) può avvenire solo in risposta ad una pressione inversa da parte delle forzanti

24 LEFFETTO PAPERELLA Immaginiamo una vasca da bagno entro cui galleggia una paperella di gomma. La vasca rappresenta un SISTEMA, su cui agisce una FORZANTE esterna (il rubinetto). Questa stressa il sistema iniettandovi acqua, che interagisce con le COMPONENTI del sistema (tappo di scarico, foro del troppo pieno). La RISPOSTA del sistema (output) è il defusso di acqua attraverso lo scarico. La situazione può essere considerata tranquilla quando il livello dellacqua nella vasca rimane adeguatamente al di sotto del bordo, ma diventa allarmante se il livello aumenta e lacqua rischia di traboccare. In altre parole, noi consideriamo il sistema stabile se il bilancio fra linput della forzante e loutput mantiene il sistema sotto la soglia critica; a livello di soglia (è il troppo pieno) la reattività del sistema alla pressione della forzante è massima.

25 INPUT Forzante esterna al sistema SOGLIA Limite interno al sistema SOGLIA CRITICA Capacità massima del sistema OUTPUT Risposta del sistema OUTPUT Risposta del sistema

26 Scenario 1 Vasca con scarico aperto, dove il flusso del rubinetto viene immediatamente e completamente espulso. La paperella non galleggia, e mantiene il suo stato di quiete. Steady-state in cui input output

27 Scenario 2 Si chiuda lo scarico: il flusso dal rubinetto non viene espulso e la vasca gradualmente si riempie, rimanendo sotto soglia (può essere uno stepped steady-state). Il livello cresce liberamente a causa della minima reattività del sistema. Situazione in cui input >> output

28 SOGLIA Lacqua raggiunge il troppo pieno (=soglia), ma il flusso che arriva dal rubinetto viene smaltito e lacqua non trabocca (la paperella rimane sotto-soglia). Massima reattività del sistema alla forzante. Situazione steady-state a livello di soglia in cui input = output

29 SOPRA LA SOGLIA CRITICA Il troppo pieno non riesce a scaricare lacqua: la vasca è colma e inizia a traboccare; la paperella viene trascinata dalla corrente. Il sistema è passivo nei confronti della forzante. Situazione steady-state sopra soglia critica, dove input output

30 a)INTERVENTO SULLA FORZANTE Chiudiamo il rubinetto: lacqua ritorna lentamente a livello del troppo pieno (livello di soglia)

31 b) INTERVENTO SULLA RISPOSTA Apriamo lo scarico: se questultimo è sufficientemente capace, lacqua lentamente scende di livello (fino ad una determinata quota di equilibrio)

32 c) INTERVENTO SIA SULLA FORZANTE CHE SULLA RISPOSTA Chiudiamo il rubinetto e apriamo lo scarico: la vasca ritorna rapidamente sotto-soglia fino a svuotarsi Sistema a bilancio negativo

33 NESSUN INTERVENTO? Il sistema rimane sopra la soglia critica finchè la paperella cade sul pavimento, dove raggiunge un nuovo stato di equilibrio.

34 MODELLI vs. SISTEMI NATURALI I sistemi naturali (fra cui il sistema climatico) sono formati da un numero sterminato di componenti, che interagiscono in modo complesso (e, spesso, a noi ignoto). Es., le principali forzanti conosciute: sono solo 3 (esterne alla Terra: Sole; interne: gas serra, tettonica), ma riescono a determinare risposte infinitamente complesse. Il sistema climatico non è riproducibile da modelli artificiali (se non in modo elementare), e produce quindi risposte per gran parte imprevedibili.

35 Come verificarne la validità? Non certo in provetta... IL PASSATO È LA CHIAVE PER CAPIRE IL FUTURO! STUDIO DEL RECORD FOSSILE: PALEOCLIMATOLOGIA Tuttavia, riducendo il numero di variabili è possibile sviluppare modelli matematici molto precisi. Problema...

36 PALEOCLIMATOLOGIA E lo studio dei cambiamenti del clima terrestre verificatisi nel corso del passato geologico. La disciplina si avvale di numerosi proxy, sia biotici che abiotici, che forniscono informazioni da archivi differenziati quali rocce, coltri glaciali, tronchi dalbero, coralli, fossili, etc. A differenza della Climatologia, la Paleoclimatologia si avvale di deduzioni e non di osservazioni strumentali (è il drammatico limite del metodo)

37 Storicamente, la Paleoclimatologia è una disciplina di competenza dei geologi perchè: a)è indispensabile inquadrare gli eventi nel tempo in base ad una CRONOLOGIA dettagliata; biologi ed ecologi non concepiscono il Deep Time! b)i geologi riescono a leggere nel paesaggio e nelle rocce informazioni basilari che altri specialisti non sanno raccogliere ne interpretare. GEOLOGIA E PALEOCLIMA

38 PALEOCLIMATOLOGIA TRADIZIONALE: qualche esempio

39 Masso erratico Yosemite Park, USA Cordoni morenici Lago della Bargetana, Appennino reggiano IL PAESAGGIO mostra cicatrici dellazione di ghiacciai in aree attualmente caratterizzate da clima mite. Nella prima metà dell800, il naturalista svizzero Louis Agassiz ipotizzò (suscitando infinite polemiche) che la Terra fosse stata interessata, in tempi recenti, da una grande glaciazione con ghiacciai alpini sino alle pianure

40 Arctica islandica Pleistocene inferiore della Sicilia Strombus bubonius Pleistocene medio della Puglia IL RECORD BIOTICO - 1 Già nel XIX secolo si riconosceva la presenza anomala, nei sedimenti quaternari del Mediterraneo, di fossili esotici (tipici di ambienti tropicali o subpolari)

41 IL RECORD BIOTICO - 2 Si rinvengono fossili di grossi rettili e di piante megaterme in aree oggi proibitive, o quantomeno difficili, anche per forme microterme e/o adattate a condizioni estreme Champsosaurus sp., rinvenuto nelle rocce cretacee della Axel Heiberg Island (Mar Artico del Canada, oltre 70° N)

42 VITA E (PALEO)CLIMA Evidenza: Il clima controlla la composizione e la distribuzione del biota. Tesi: il biota è soggetto a processi evolutivi (in modo complesso) Possono i cambiamenti climatici indurre evoluzione nel biota?...è altrettanto vero che il biota infuenza pesantemente il clima! Ipotesi difficile da verificare: è il principio delluovo e della gallina

43 1) LIPOTESI DELLA RED QUEEN L. van Valen (1973): for an evolutionary system, continuing development is needed just in order to maintain its fitness relative to the systems it is co- evolving with. Quindi: la continua competizione (o cooperazione) fra le specie è il motore principale dellevoluzione nel tempo geologico (deep time). Esempi: -la Mesozoic Marine Revolution ( aumento di biodiversità nei mari Mesozoici, Cretaceo in particolare) viene interpretata come risultato dellinterazione predatore-preda (a migliorati metodi di attacco, migliori sistemi di difesa); -la diversificazione sulle terre emerse nel Cretaceo è interpretabile come risultato delle interazioni evolutive fra le nuove angiosperme e gli insetti. The Red Queen said, It takes all the running you can do, to keep in the same place L. Carrol, Through the looking glass Il clima NON controlla levoluzione

44 Teoria sviluppata da C.H. Smith (1984), nota anche comejust good luck o being in the right place at the right time …le estinzioni (di massa e minori) sono legate a variazioni climatiche e/o ambientali. Esse sterminano le specie, non importa quanto queste siano adattate allambiente, liberando conseguentemente nicchie ecologiche (creandone eventualmente di nuove) entro cui si possono espandere i fortunati sopravvissuti. 2) IL MODELLO STAZIONARIO Il clima è uno dei principali motori dellevoluzione

45 LA GRANDE DOMANDA IRRISOLTA: COSE PIU IMPORTANTE? Evoluzione: competizione o pressione climatico-ambientale? I rapidi aumenti di diversità legati alla competizione sembrerebbero il processo dominante....e se questi due processi fossero invece parte di un sistema integrato? Ipotesi di Gaia

46 LIPOTESI DI GAIA J. Lovelock & L. Margulis, Atmospheric homeostasis by and for the biosphere: the Gaia Hypothesis J. Lovelock, Gaia. A New Look at Life on Earth la Vita, o Biosfera, regola e mantiene il clima e la composizione atmosferica ad uno stato per sé ottimale Il Pianeta Terra viene visto come un super-organismo(cf. Hutton): una novità in tempi di deriva specialistica. E una Weltanschauung OLISTICA (=di sistema) che si oppone al metodo RIDUZIONISTA (teoria dei piccoli ecosistemi): i processi evolutivi non riguardano solo gli organismi o l'ambiente naturale, ma l'intera Gaia.

47 IL SISTEMA GAIA non è sinonimo di biosfera ne di biota, che sono solo due degli elementi che lo compongono. Comprende invece: Fattori limitanti, che stabiliscono i limiti superiori ed inferiori della vita (temperatura, salinità, etc.); Organismi che crescono e si riproducono sfruttando ogni possibilità che l'ambiente concede loro; Organismi soggetti alle leggi della selezione naturale darwiniana; Organismi che modificano costantemente il loro ambiente per effetto di processi biologici (respirazione, fotosintesi, etc.). Entro Gaia, i parametri chimico-fisici non rimangono costanti nel tempo si mutuano i concetti di OMEOSTASI, OMEORRESI e AUTOPOIESI

48 AUTOPOIESI (Maturana & Varela, 1972 – Autopoiesis: the realization of the living) Tutte le componenti biotiche del Sistema Terra lavorano al mantenimento di condizioni idonee alla propria esistenza grazie a feedback attivi, autonomi e INCONSAPEVOLI. OMEOSTASI Processo in cui le componenti di un sistema (es. Gaia) instaurano e mantengono una relazione di stazionarietà mediante loop di feedback negativi. Le risposte sono tese a mantenere il sistema alle sue condizioni iniziali (es. termostato). OMEORRESI Sistema di tipo omeostatico in cui si attivano loop di feedback positivi in grado di spostare in modo irreversibile lo stato stazionario del sistema (es. iniezione di ossigeno nella protoatmosfera).

49 Nelle situazioni di non-equilibrio, i predatori prosperano se le prede sono abbondanti, e viceversa. Questa dinamica, controllata da feedback, continua con un andamento ciclico di crescita-decrescita. EQUAZIONE DI LOTKA-VOLTERRA, O PREDA-PREDATORE

50 DAISYWORLD Come può il Biota intervenire sulle dinamiche di Gaia modificando, ad esempio, il clima terrestre?

51 Faint sun

52 Terra fredda

53 Terra bollente

54 Terra fresca

55 Terra in equilibrio


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